BIOCHEMICAL DISTURBANCES IN PLANT CELLS UNDER CONDITIONS OF ANTHROPOGENIC POLLUTION

Full Text

Введение В связи с ростом антропогенной нагрузки на окружающую среду актуальной задачей является изучение воздействия факторов среды на живые организмы, в частности, на растения. Одним из наиболее распространенных и опасных факторов загрязнения среды являются тяжелые металлы (ТМ) (Markovnikova et al. 2006; Моцик, Пинский 1991). Известно, что ТМ способны аккумулироваться в растительных тканях в больших количествах, пагубно действовать на рост и развитие растения, фотосинтез, дыхание, водный обмен растений и другие физиологические процессы (Титов и др. 2014). Опасность тяжелых металлов усугубляется их способностью передаваться по трофическим цепям в нарастающих количествах (Башкин, Касимов 2004). Исследование механизмов воздействия ТМ и ответных реакций растений на биохимическом уровне представляет большой интерес (Moreira et al. 2015; Aydogan et al. 2017). Одним из наиболее важных биохимических процессов повреждения клеток, проходящего с участием тяжелых металлов, является перекисное окисление липидов (ПОЛ). Оно провоцируется избыточным количеством активных форм кислорода (АФК) - супероксидного анион радикала (О*2), синглетной формы кислорода (O2), гидроксильного радикала (OH*), перекиси водорода (Н2О2) или свободными радикалами (Владимиров 1987). Основными генераторами АФК являются хлоропласты и митохондрии, а также пероксисомы. Основными причинами возникновения окислительного стресса в клетках растений в присутствии тяжелых металлов являются ингибирующее действие их ионов на скорость электронного транспорта на мембранах хлоропластов и митохондрий, а также подавление активности антиоксидантов ферментной и неферментной природы (Skorzynska-Polit 2007). Первичными продуктами перекисного окисления липидов являются диеновые конъюгаты, а конечными - основания Шиффа. Основной опасностью процессов ПОЛ для растений является возможность полной утраты мембранами клеток барьерной функции (Чеснокова и др. 2007). Соотношение прооксидантных и антиоксидантных процессов в клетках растений, варьируемое в зависимости от условий среды, будет условием нормального функционирования организма и, в конечном счете, его выживания в окружающей среде (Blokhina et al. 2001). В связи с этим изучение процессов ПОЛ является актуальной научной задачей (Михайлова, Лукаткин 2016; Anjum et al. 2015; Emamverdian et al. 2015; Catala, Diaz 2017). Целью работы было исследование содержания продуктов перекисного окисления липидов в растениях разных видов, произрастающих в городской среде. Материалы и методы Материал для исследования был отобран в период с 21.07.2017 г. по 5.08.2017 г. в районе г. Тюмени на следующих участках: 1) Контроль - луг на удалении 5 км от антропогенных источников; 2) УГМК - г. Тюмень, участок на удалении 200 м от предприятия «УГМК-Сталь» вблизи автотрассы; 3) УГМК 2 - г. Тюмень, участок на удалении 50 м от предприятия «УГМК-Сталь»; 4) Моторостроители - г. Тюмень, участок на удалении 200 м от предприятия «Тюменские Моторостроители»; 5) НПЗ - г. Тюмень, участок на удалении 200 м от Антипинского нефтеперерабатывающего завода; 6) Район Аккумуляторного завода, г. Тюмень, участок на удалении 200 м от предприятия; 7) Автотрасса Тюмень - Омск - район п. Винзили, 30 км от г. Тюмени, удаление от автотрассы не более 30 м; 8) Автотрасса Ирбитский тракт - район села Каменка, 30 км от г. Тюмени, удаление от автотрассы не более 5 м; 9) Автотрасса Ирбитский тракт - район села Каменка, 30 км от г. Тюмени, удаление от автотрассы не менее 500 м. На каждом участке была срезана надземная часть растений с 5 площадок. На участках 1-5, 7 были отобраны 5 видов растений: мятлик луговой (Poa pratensis), клевер красный (Trifolium rubens), мышиный горошек (Vicia cracca), ромашка (Matricaria chamomilla), мать-и-мачеха (Tussilago farfara). На участке 6 ромашка не была обнаружена. На участках 8 и 9 был отобран овес посевной (Avena sativa). Выбор растений был обусловлен широким распространением данных видов в районах исследования. Кроме того, из литературы известна чувствительность мать-и-мачехи на биохимическом уровне к экологическим условиям (Фазлиева, Киселева 2011). Растения были высушены, а затем проводился анализ содержания в них диеновых конъюгатов и оснований Шиффа спектральным анализом спиртовых экстрактов. Измерение поглощения диеновых конъюгатов проводили на длине волны λ=233 нм, а оснований Шиффа - на λ =365 нм (Шведова, Полянский 1992). Результаты и обсуждение Продукты перекисного окисления липидов являются индикатором биохимического повреждения клеток и стрессируемости организма. В проведенном эксперименте было выявлено, что наиболее сильному повреждению в условиях городской среды подвергаются клетки ромашки: содержание оснований Шиффа и диеновых конъюгатов на всех участках исследования было увеличено по сравнению с контролем, как минимум на 40-60% (рис. 1). Рис. 1. Содержание продуктов перекисного окисления липидов в клетках ромашки из районов исследования *- статистически достоверные различия между контролем и вариантом опыта (при Р ≤0,05) Максимальный рост содержания продуктов перекисного окисления липидов был зафиксирован на участках УГМК 2 и Моторостроители: содержание диеновых конъюгатов было повышено в 4,8 и 5,5 раз соответственно. Полученные результаты свидетельствуют о высокой чувствительности процессов перекисного окисления, протекающих в ромашке, к антропогенному загрязнению. Кроме ромашки, увеличение содержания продуктов перекисного окисления липидов среди изученных растений было зарегистрировано в клетках мышиного горошка и мятлика лугового (рис. 2, 3). Содержание оснований Шиффа в клетках мышиного горошка было повышено по сравнению с контролем от 1,5 раз (участок Моторостроители) до 2,7 раз (участок автотрассы) (рис. 2). Содержание диеновых конъюгатов в растениях на участках НПЗ, Моторостроители, аккумуляторный завод и автотрасса было также увеличено на 40%. Однако на участках УГМК и УГМК 2 отличие содержания продуктов ПОЛ от контроля выявлено не было, а на участке УГМК содержание диеновых конъюгатов было снижено на 20%. Рис. 2. Содержание продуктов перекисного окисления липидов в клетках мышиного горошка из районов исследования Рис. 3. Содержание продуктов перекисного окисления липидов в клетках мятлика лугового из районов исследования Содержание оснований Шиффа в клетках мятлика было увеличено на участках НПЗ, Моторостроители и аккумуляторный завод на 70-190% по сравнению с контролем (рис. 3). Содержание диеновых конъюгатов в большинстве случаев не отличалось от контрольного уровня, а на участке УГМК 2 было снижено почти на 30%. Таким образом, ромашка, мышиный горошек и мятлик луговой подвергаются окислительному стрессу в условиях городской среды, причем степень выраженности повреждений убывает в ряду от ромашки к мятлику луговому. Увеличение содержания продуктов ПОЛ в клетках ромашки, мышиного горошка и мятлика может быть связано с аккумуляцией в них тяжелых металлов, которые способны генерировать АФК по реакциям Фентона и Габера-Вейса, а также активировать фермент липоксигеназу (Skorzynska-Polit 2007). Также ТМ способны связываться с сульфигидрильными, гидроксильными, карбоксильными группами белков и ингибировать функционирование антиоксидантных ферментов. Кроме того, известно, что нефтяное загрязнение, характерное для нефтеперерабатывающего завода, способно активировать процесс перекисного окисления путем ингибирования транспорта электронов в хлоропластах (Осипова 2013). Другая картина наблюдалась при анализе содержания продуктов ПОЛ в клетках клевера красного и мать-и-мачехи. Содержание оснований Шиффа и диеновых конъюгатов в клетках клевера красного было снижено до 60 и 40% соответственно относительно контроля (рис. 4). В клетках мать-и-мачехи этот эффект был выражен еще сильнее: содержание оснований Шиффа и диеновых конъюгатов было снижено до 70 и 50% относительного контрольного уровня (рис. 5). Полученный результат можно объяснить несколькими причинами. Возможно, в условиях стресса антиоксидантные системы клевера красного и мать-и-мачехи успешно активизируются и ликвидируют избыток активных форм кислорода. Растения, произрастающие в районах антропогенного загрязнения, могли выработать механизмы блокирования поступления токсикантов путем их хелатирования в клетках корня или компартментализации в цитоплазме. Кроме того, в изученных участках возможен отбор на генетическом уровне и выживание растений, наиболее приспособленных к данным условиям. Рис. 4. Содержание продуктов перекисного окисления липидов в клетках клевера красного из районов исследования Рис. 5. Содержание продуктов перекисного окисления липидов в клетках мать-и-мачехи из районов исследования Из-за видоспецифичности реакции растений на антропогенный стресс выделить среди изученных участков те, загрязнители в которых оказывали наибольшее влияние на процесс перекисного окисления, оказалось затруднительно. К примеру, для ромашки такими участками были УГМК 2 и Моторостроители, для мышиного горошка - НПЗ, аккумуляторный завод и автотрасса, а для мятлика лугового - Моторостроители и аккумуляторный завод. Тем не менее, возможно сделать обобщение, что чаще других участков наиболее сильное влияние оказывало предприятие металлургического завода УГМК (участки УГМК и УГМК 2), причем как в сторону роста продуктов ПОЛ у ромашки и клевера красного, так и в сторону их снижения у мать-и-мачехи. Необходимо отметить, что действие загрязнителей с участка УГМК 2 (находившегося ближе к заводу) было всегда более выраженным по сравнению с УГМК. Это можно было предполагать из-за большей вероятности накопления поллютантов в тканях растений вблизи завода. Также во вторую очередь можно выделить нефтеперерабатывающий, аккумуляторный и моторостроительный заводы, степень влияния поллютантов которых в целом на растения была приблизительно равна. В меньшей степени на процесс перекисного окисления влияло загрязнение автотрассы. Поскольку большинство промышленных предприятий, так или иначе, находятся в близости автотрасс, то изолированное действие автотрассы оказывается менее выраженным, чем действие комплекса загрязнителей из районов предприятие+автотрасса. Для овса посевного влияние автотрассы на содержание продуктов ПОЛ не было выявлено, содержание оснований Шиффа и диеновых конъюгатов было на уровне контроля (рис. 6). Рис. 6. Содержание продуктов перекисного окисления липидов в клетках овса посевного из районов исследования Заключение Таким образом, реакция повреждения клеточных мембран растений в условиях городской среды была видоспецифичной: для ромашки, мышиного горошка и мятлика лугового наблюдалось накопление продуктов ПОЛ в связи с пагубным действием поллютантов; клевер красный и мать-и-мачеха, вероятно, успешно адаптировались к условиям антропогенного загрязнения, что было зарегистрировано по уменьшенному содержанию диеновых конъюгатов и оснований Шиффа. Наибольшее влияние на процесс перекисного окисления липидов оказывает загрязнение от металлургического завода.

About the authors

A. S Petukhov

student

N. A Khritokhin

University State of Tyumen

Candidate of Chemical Sciences, Associate Professor, Professor at the Department of Inorganic and Physical Chemistry

G. A Petukhova

University State of Tyumen

Doctor of Biological Sciences, Associate Professor, Professor at the Department of Ecology and Genetics

References

Supplementary files